淺埋隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)規(guī)律及控制研究

張建波，楊新安，何知思

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

以巴準(zhǔn)鐵路敖包溝隧道下穿建筑物段為工程背景，對(duì)隧道下穿建筑物施工爆破振動(dòng)波的傳播進(jìn)行了測(cè)試，獲得了大量的現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行了分析，得到了淺埋隧道爆破振動(dòng)規(guī)律，并且提出了淺埋隧道下穿建筑物爆破施工的控制措施。

1 工程概況

敖包溝隧道為巴準(zhǔn)鐵路的控制性工程，隧道全長3 180 m，為雙線鐵路隧道。隧道位于內(nèi)蒙古高原區(qū)，主要地貌單元為低中山區(qū)，地形起伏大，溝梁相間，間歇性溝谷發(fā)育，山陡峰峻，切割強(qiáng)烈，最大高差85 m。隧道洞身圍巖主要級(jí)別為Ⅳ，Ⅴ級(jí)，其中Ⅳ級(jí)圍巖1 020 m，Ⅴ級(jí)圍巖2 136 m。隧道在D1K34+592～D1K34+658段連續(xù)穿越敖家溝西梁煤礦職工宿舍、職工食堂及變電站三座建筑物，建筑物的結(jié)構(gòu)較差。洞頂覆土地層為填土、黃土、砂巖夾泥巖，地層性質(zhì)軟弱，穩(wěn)定性差。

2 淺埋隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)測(cè)試

2.1 爆破炮眼布置及掏槽方案設(shè)計(jì)

敖包溝隧道下穿建筑物段最大埋深僅20 m，地表覆蓋較厚的全風(fēng)化砂質(zhì)黃土，穩(wěn)定性較差。隧道洞身穿越砂巖夾泥巖層，且泥巖以夾層性質(zhì)存在于砂巖之中，淺灰色，遇水具有一定的軟化膨脹性，易崩解，屬弱膨脹巖。為了確保隧道下穿建筑物段的施工安全，隧道拱部采用Φ 89超前大管棚注漿加固、襯砌加強(qiáng)，施工采用人工+微震爆破技術(shù)的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖。

爆破炸藥選用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥，采用Φ 35 mm（0.95～1.25 g·cm-3），長度200 mm 的藥卷。雷管選用煤礦許用毫秒延期電雷管（延期時(shí)間不超過130 ms），起爆采用電起爆方式。采用臺(tái)階法分區(qū)進(jìn)行多次開挖，爆破炮眼分區(qū)布置如圖1所示。上臺(tái)階開挖時(shí)，采用兩次爆破分部開挖：第一步對(duì)掏槽及輔助眼進(jìn)行爆破；第二步對(duì)周邊眼、內(nèi)圈眼及底板眼進(jìn)行爆破。上臺(tái)階掏槽眼采用三對(duì)垂直楔形掏槽，炮眼布置過程中，先布置掏槽眼，再均勻布置周邊眼和輔助眼，周邊眼采用間隔不連續(xù)裝藥方法。下臺(tái)階兩步開挖，并嚴(yán)格控制裝藥量。隧道爆破掏槽方案布置如圖2 所示。爆破時(shí)先對(duì)掏槽眼及輔助眼進(jìn)行裝藥爆破，然后待爆破完畢后對(duì)爆破情況進(jìn)行檢查，清除危石后方可進(jìn)行周邊眼、內(nèi)圈眼和底板眼的裝藥、爆破工作。周邊眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余炮眼采用Φ 35mm 標(biāo)準(zhǔn)藥卷連續(xù)裝藥，并用炮泥堵塞孔口。為了減少爆破振動(dòng)對(duì)地表構(gòu)筑物及圍巖的擾動(dòng)，開挖時(shí)采用半斷面微臺(tái)階預(yù)裂爆破開挖，炮眼爆破順序依次為周邊眼、掏槽眼、輔助眼、內(nèi)圈眼、底板眼。爆破振動(dòng)測(cè)試采用四川瞭望工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司研制的BR-6722 爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由速度傳感器、爆破振動(dòng)信號(hào)分析儀組成。

圖1 隧道下穿建筑物段分區(qū)爆破炮眼布置圖Fig.1 Arrangement diagram of the blast holes in zonal blasting of the tunnel undercrossing buildings

圖2 隧道下穿建筑物段爆破掏槽方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of blasting cut of the tunnel undercrossing buildings

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

為研究爆破振動(dòng)在隧道拱頂巖層中的傳播規(guī)律，測(cè)點(diǎn)盡量布置在隧道中線爆破掌子面的正上方，如圖3所示，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)按每5 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。安裝感器安裝時(shí)，采用生石膏粉粘結(jié)，取適量生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀，將傳感器粘結(jié)在測(cè)點(diǎn)上，約10 min后石膏凝固后即可進(jìn)行測(cè)試。敖包溝隧道下穿建筑物段施工時(shí)，地表建筑物地面都經(jīng)過硬化處理，傳感器直接用石膏粉粘結(jié)在地面上進(jìn)行測(cè)試。垂直速度傳感器應(yīng)該盡量保持與水平面垂直，水平速度傳感器的安裝應(yīng)該與水平面平行，切向水平速度傳感器則與徑向垂直并且和地面保持水平3個(gè)傳感器應(yīng)安裝在一起，構(gòu)成一個(gè)關(guān)于爆心的3維直角坐標(biāo)系，三向傳感器的安裝如圖4所示。

圖3 爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置立面圖Fig.3 Elevation diagram of blasting vibration monitoring points

圖4 分離式三向傳感器安裝Fig.4 Assembly drawing of three-dimensional sensors

3 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)下穿建筑物段隧道施工爆破引起的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共采集到19組有效數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。表中，峰值速度表示測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度波形的最大值，爆心距表示測(cè)點(diǎn)距爆破點(diǎn)的距離；水平縱向、水平切向、垂直分別表示沿隧道中線、垂直隧道中線、垂直地面的爆破振動(dòng)速度。

表1 爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic table of blasting vibration testing data

（續(xù)表）

3.1 爆破振動(dòng)速度特性

大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和研究表明：爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值速度與所造成的損傷有很好的相關(guān)性，振動(dòng)速度的變化能較好反映爆破振動(dòng)效應(yīng)在巖土中的傳播規(guī)律［5］。當(dāng)炸藥量、爆源距離一定時(shí)，較其他物理量而言，爆破振動(dòng)速度與巖土性質(zhì)有較為穩(wěn)定的關(guān)系。因此，研究爆破振動(dòng)速度的變化規(guī)律，能說明爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響。

由表1數(shù)據(jù)可看出，隧道爆破施工時(shí)，爆破振動(dòng)在地表有3個(gè)方向的振動(dòng)速度，分別用水平縱向、水平切向、垂直方向表示，同次爆破中，垂直方向振動(dòng)速度比水平切向、水平縱向大，而切向速度一般較小。爆破振動(dòng)速度在不同里程數(shù)值差別較大，主要是受到隧道埋深、圍巖地質(zhì)條件、爆破振動(dòng)裝藥形式與裝藥量、測(cè)點(diǎn)與爆破點(diǎn)之間的距離等因素的影響。

為了加強(qiáng)對(duì)阿什哈達(dá)摩崖石刻的保護(hù)力度，1961年吉林省人民政府將其列為文物保護(hù)單位。1983年吉林省文化廳撥款，吉林市博物館監(jiān)修，省、市和豐滿區(qū)文物部門共同在第一摩崖石刻處修建“摩崖閣”、第二摩崖石刻處修建“阿什亭”，將這兩處石刻有效地保護(hù)了起來。2012年10月21日，吉林市編制機(jī)構(gòu)委員會(huì)正式批準(zhǔn)在摩崖石刻旁邊建立吉林市明清造船廠遺址博物館，館中保留的石刻拓片，可以讓人直接便利地閱看石刻碑文。后來修建吉豐東路，前有摩崖石刻，后有鐵路隧洞，無奈只好填江修路，這路面恰巧就在碑下。2006年5月25日，阿什哈達(dá)摩崖石刻由吉林省重點(diǎn)文物保護(hù)單位升格為第六批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

3.2 爆破振動(dòng)速度回歸分析

國內(nèi)外大量測(cè)試結(jié)果表明，在一定的爆破方式和傳播介質(zhì)條件下，藥量和測(cè)點(diǎn)到爆源的距離是影響爆破振動(dòng)的主要因素，局部地質(zhì)和巖（土）質(zhì)條件的影響也很明顯［6］。為了研究各影響因素與爆破振動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，需通過量化擬合分析才能確定爆破參數(shù)與振動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。目前國內(nèi)外比較公認(rèn)的爆破振動(dòng)強(qiáng)度與爆破參數(shù)之間關(guān)系的是薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式［7］，我國長期以來在爆破振動(dòng)安全距離與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算方面也采用該公式，具體形式是

式中：v表示爆破振動(dòng)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度，cm·s-1；Q表示炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)取總裝藥量，延時(shí)爆破時(shí)取最大段裝藥量，kg；R表示從爆破地點(diǎn)藥量分布的幾何中心至觀測(cè)點(diǎn)的距離，m；α表示爆破震動(dòng)隨距離衰減系數(shù)；β表示為藥包形狀系數(shù)，一般取1/3；k表示與地形、地質(zhì)、爆破方式有關(guān)的系數(shù)。

采用公式（1）對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以得出式中的參數(shù)，用來指導(dǎo)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，控制爆破振動(dòng)速度。對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)得

令y=lgv，x=lg(Q13/R)，則可以得到

式（1）由非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，利用最小二乘法［8］便可求得α和k的值。

比例藥量p=Q13/R，通過對(duì)表1 的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，可得到一元線性回歸方程為：y=1.54x+2.2118，求得：α=1.54，k=162.88，回歸方程的相關(guān)系數(shù)為：R2=0.782 5，回歸相關(guān)系數(shù)較高，結(jié)果良好，在一定程度上反映了爆破質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度與爆心距和裝藥量的關(guān)系。根據(jù)一元線性回歸方程，得到了適用于敖包溝隧道近區(qū)圍巖爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律的公式為

敖包溝隧道下穿西梁煤礦區(qū)的三棟建筑物均為一般建筑物，《爆破安全規(guī)程》［9］中規(guī)定的一般建筑物爆破振動(dòng)速度應(yīng)控制在3.0 cm·s-1以下。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在19次測(cè)試中有7次爆破振動(dòng)速度超過規(guī)范允許值，其中有一次（測(cè)試?yán)锍虨镈1K34+581）振動(dòng)速度較大，達(dá)到了7.6 cm·s-1，其余6次超過幅度不大，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)并未造成較大影響。可以利用公式（4）對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生較大爆破振動(dòng)速度的爆破開挖區(qū)及地表建筑物加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取控制措施，以減小爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。

4 淺埋隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)控制措施

敖包溝隧道下穿建筑物段埋深較淺，在隧道爆破施工時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)和地表建筑物受到爆破振動(dòng)的影響頻繁，為了隧道施工和地表建筑物的安全，必須對(duì)隧道開挖引起的爆破振動(dòng)進(jìn)行控制，減緩對(duì)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，提出了以下爆破振動(dòng)控制措施：

1）分區(qū)爆破并采用合理的起爆順序。將開挖掌子面按照開挖臺(tái)階分割成不同的區(qū)域，分區(qū)爆破布置如圖2所示。爆破時(shí)按分區(qū)分別裝藥，減少單區(qū)域裝藥量。分區(qū)爆破時(shí)采用微差爆破，同時(shí)優(yōu)化炮孔的線形布置和起爆順序，不但能盡量減少微差爆破單段最大藥量，而且還使得布置炮孔簡(jiǎn)單、炮孔參數(shù)準(zhǔn)確、臨空面好，可提高炸藥能量利用率，從而達(dá)到減振效果。

2）優(yōu)化掏槽形式和裝藥結(jié)構(gòu)。選擇合理的掏槽形式及掏槽孔的位置，是控制隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)的關(guān)鍵措施。楔形掏槽具有掏槽效果好、能為輔助眼爆破創(chuàng)造較好的臨空面、可以降低輔助眼爆破時(shí)的爆破震動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。隧道下穿建筑物段施工時(shí)宜采用楔形掏槽，并盡量減小楔形槽的大小。為了減緩掏槽孔爆破對(duì)隧道頂板圍巖的擾動(dòng)，可將掏槽孔布置在距拱頂較遠(yuǎn)的區(qū)域（如圖3所示）。在裝藥時(shí)，采用分散裝藥以減小爆破振動(dòng)。

3）加強(qiáng)爆破施工過程中的監(jiān)測(cè)和爆破參數(shù)優(yōu)化。淺埋隧道開挖時(shí)，應(yīng)對(duì)爆破施工全過程進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，結(jié)合隧道常規(guī)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)（如拱頂下沉、洞周收斂、地表沉降等），全面監(jiān)控隧道爆破開挖及其振動(dòng)效應(yīng)，根據(jù)爆破振動(dòng)速度衰減公式對(duì)爆破開挖區(qū)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保證隧道施工安全。

5 結(jié)論

1）在爆炸荷載的作用下，淺埋隧道爆破振動(dòng)產(chǎn)生的垂向速度比水平速度和切向速度大，爆破振動(dòng)規(guī)律與隧道的斷面尺寸、開挖方法、埋深、圍巖地質(zhì)條件等因素有關(guān)。

2）淺埋隧道爆破開挖時(shí)，合理的開挖方法、掏槽形式和裝藥結(jié)構(gòu)可以減小爆破振動(dòng)的影響，采用臺(tái)階法分步爆破，將大楔形槽改為小楔形槽并采用分散裝藥能有效的減小爆破振動(dòng)。

3）爆破開挖時(shí)將爆破掌子面進(jìn)行分區(qū)，減小單區(qū)域裝藥量，對(duì)爆破順序進(jìn)行合理優(yōu)化，可以提高炸藥的使用效率，而且微爆破開挖臨空面好，還能達(dá)到減震效果。

4）敖包溝隧道下穿建筑物段的爆破振動(dòng)規(guī)律符合薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：v=162.88，利用該公式可以預(yù)測(cè)爆破的振動(dòng)速度，還能對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5）淺埋隧道下穿建筑物在爆破開挖時(shí)，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)該與隧道的常規(guī)監(jiān)測(cè)（如拱頂下沉、洞周收斂、地表沉降等）相結(jié)合，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式優(yōu)化爆破參數(shù)，這樣既能減小爆破振動(dòng)對(duì)隧道和地表建筑物的影響，又能提高施工效率。

［1］張華其，張松新，周華杰，胡漢東.爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響［J］.爆破，2007，24（2）：98-101.

［2］劉先林，周傳波，張國生.隧洞開挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與振速預(yù)測(cè)分析［J］.爆破，2008，25（3）：96-99+106.

［3］張繼春，曹孝君，鄭爽英，郭學(xué)彬.淺埋隧道掘進(jìn)爆破的地表震動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（22）：4158-4163.

［4］李利平，李術(shù)才，張慶松，王剛，馬富奎.淺埋大跨隧道施工爆破監(jiān)測(cè)與減震技術(shù)［J］.巖土力學(xué)，2008，29（8）：2292-2296.

［5］閆鴻浩，李曉杰，曲艷東，歐陽欣.爆破振動(dòng)速度測(cè)試精細(xì)分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（10）：2091-2094.

［6］陽生權(quán)，周健，呂中玉.地下洞室及其圍巖爆破地震安全監(jiān)測(cè)與動(dòng)力分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，16（6）：141-144+148.

［7］畢衛(wèi)國，石崇.爆破振動(dòng)速度衰減公式的優(yōu)化選擇［J］.巖土力學(xué)，2004，25（S1）：99-102.

［8］任露泉.回歸設(shè)計(jì)及其優(yōu)化［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：27-30.

［9］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB6722—2003 爆破安全規(guī)程［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.